Усиление железобетонных конструкций Отличительные особенности

Усиление железобетонных конструкций

Отличительные особенности железобетонных конструкций зданий и сооружений: • использование в качестве несущих элементов двух компонентов стали и бетона, обладающих разными физико механическими свойствами (прочностью, деформативностью, коррозиоустойчивостью и т. д. ). В реальных условиях это обуславливает значительную зависимость их совместной работы от технологических факторов, условий эксплуатации; соответственно, действительная работа железобетонных конструкций часто отличается от расчетных предпосылок; • недоступность одного из основных элементов арматуры для осмотра и ремонта, следовательно, наличие некоторой неопределенности в оценке его состояния и действительной работы; • слабая прочность бетона на удары, хрупкость; • слабая трещиностойкость бетона; • подверженность бетона и арматуры коррозии; • большая трудоемкость производства усилительных работ.

Наиболее распространенными повреждениями железобетонных конструкций, вызывающими необходимость усиления являются: • коррозионное разрушение бетона и арматуры; • трещинообразование бетона от развития начальных трещин и перегрузок; • разрушения опорных участков; • дефекты монтажа и изготовления (отсутствие закладных деталей, пониженная прочность бетона, недостаточное армирование и пр. ). • Особенностью железобетонных конструкций является сложность установления и оценки их эксплуатационного состояния, связанная со слабым приборным обеспечением обследований.

Особенности оценки несущей способности В отличие от вновь проектируемых элементов в расчетах существующих конструкций учитываются: • пониженная прочность бетона, при наличии повреждений и коррозии коэффициентом 01 на который умножается расчетное сопротивление бетона Rb ; • потери сечения арматуры в результате коррозии коэффициентами 02 и kd на которые умножается расчетное сопротивление арматуры Rs; • нарушение сцепления арматуры и бетона при коррозии арматуры коэффициентом 03 на который умножаются расчетные сопротивления бетона и арматуры Rb , Rs ; .

Расчетные коэффициенты железобетонных конструкций в зависимости от состояния бетона и арматуры Категория Внешние признаки Показания приборов 01 02 03 состояния Исправное Отсутствуют видимые Прочность бетона и 1 1 1 дефекты и повреждения. арматуры не ниже проектной, Глубина нейтрализации скорость УЗВ более 4 км/с. бетона не превышает половины толщины защитного слоя; имеются отдельные волосяные трещины. Работоспособное Антикоррозионная защита Прочность бетона основного 0, 95 0, 9 частично повреждена. На сечения не ниже проектной, бетоне в отдельных скорость УЗВ 3 … 4 км/с. участках мелкие и Потеря площади сечения маслянистые пятна, волосы: рабочей арматуры и проступают следы коррозии закладных деталей не расчетной арматуры превышает 5%. Прогибы и отдельными точками и ширина раскрытия пятнами. нормальных трещин превышают допустимые. Ограниченно- Имеются признаки снижения Прочность бетона основного 0, 8 0, 9 0, 8 работоспособное эксплуатационной сечения ниже проектной, пригодности конструкции. скорость УЗВ менее 3 км/с, Пластинчатая коррозия потери сечения арматуры и расчетной арматуры и закладных деталей более закладных деталей. 5%, трещины в сжатой зоне и в зоне главных растягивающих напряжений.

• Величина коэффициента kd принимается: kd = (d 02 - dk 2)· 100% / d 02 • где d 0 исходный диаметр арматуры; dk минимальный сохранившийся диаметр прокорродированной арматуры, определенный с доверительной вероятностью Р = 0, 95. dk= dm – (1/√n)t 0, 95 ·Sd где dm и Sd – соответственно среднее значение и среднеквадратическое отклонение диаметра арматуры; n количество измерений; t 0, 95 коэффициент Сььюдента. Если оставшаяся площадь сечения арматуры менее 50% исходной, то она в расчете не учитывается.

Усиление увеличением сечения • По статической схеме работы усиление осуществляется обето- нированием или армированием. • Армирование выполняется – по схеме работы - продольным и (или) поперечным, по виду арматуры - из канатов, гибких стержней, профилированных или листовых материалов; – по материалу арматуры - из стали или синтетических материалов. • Обетонирование выполняется – по виду материала армированным или неармированным бетоном; – по способу укладки - заливкой, инъецированием, торкретированием, а также устройством сборного бетона или железобетона. • Перечисленные методы применяются как по отдельности, так и в сочетании. В последнем случае получают наибольший эффект от усиления. Например, обетонирование сочетают с установкой дополнительной арматуры, продольное армирование с поперечным и т. д. Арматура усиления, как правило, покрывается защитным слоем бетона. Торкретирование или набрызгивание целесообразно применять при необходимости бетонирования снизу вверх или при усилении широких вертикальных поверхностей.

Способы усиления растянутой зоны или растянутых элементов • увеличение площади сечения рабочей арматуры путем устройства дополнительных затяжек, закрепленных по концам конструкции; • установка дополнительной арматуры соединением через коротыши с рабочей арматурой и с последующим обетонированием ; • приклеивание листовой стали; • вклеивание стержневой арматуры в подготовленных пазах; • установка самоанкерующихся устройств с реализацией бокового обжатия зоны рабочей арматуры конструкции.

Способы усиления сжатой зоны или сжатых элементов: • увеличение площади сечения сжатой зоны бетона; • установка дополнительной сжатой арматуры; • ограничение поперечных деформаций устройством наращиваний, обойм, рубашек или, применяя распорки из жесткой арматуры (для изгибаемых и внецентренно сжатых - односторонним распором, для центрально-нагруженных - двусторонним), и т. д.

Способы усиления на восприятие поперечных сил: • увеличение поперечного сечения бетона; • устройство поперечной арматуры; • устройство наращиваний, обойм, рубашек; • установка поперечных балок, стержней и т. д.

• Наиболее распространенными видами усиления железобетонных конструкций увеличением сечения являются устройство наращиваний, рубашек и обойм. • Наращивание способ усиления, при котором сечение увеличиваемой конструкции увеличивается по высоте или ширине сечения с одной или двух сторон. • Рубашка способ усиления, в котором усиливающий элемент охватывает усиливаемую конструкцию с трех сторон. • Обойма способ усиления, в котором усиливающий элемент устраивается по периметру усиливаемого элемента. • Наращиванием могут быть усилены любые железобетонные конструкции: балки, плиты, стойки, стены и др. • Рубашки выполняются в балках или стойках при отсутствии доступа с одной стороны, например, в пилястрах или колоннах у стенового ограждения, а также в балках при необходимости повышения несущей способности по нормальным и наклонным сечениям одновременно. • Обоймами усиливаются, в основном, сжатые стойки или простенки, элементы стропильных ферм.

Усиление железобетонных элементов увеличением сечения: а, б – наращиванием; в – устройством обоймы; г – устройством рубашки; д – устройством балки рядом

Минимальные толщины обойм и набетонок, определяемые технологическими требованиями Минимальная толщина, см бетона при Конструктивный элемент устройстве в опалубке с Торкретированием и вибрированием набрызгом Колонна 8 5 Боковые стенки балок 6 3 Нижние пояса балок 12, 5 5 Плиты перекрытий при наращивании: сверху 3, 5 снизу 6 3, 5

Усиление изменением конструктивной схемы • Жесткие разгружающие конструкции (или жесткие опоры) выполняются как в металле, так и в железобетоне. Упругие разгружающие конструкции под изгибаемые чаще выполняются из металлических балок и ферм, а гибкие из арматурной или круглой стали, стальных канатов. • Разгружающие конструкции в виде отдельных балок, ферм, плит применяются обычно для разгрузки небольших участков перекрытий, отдельных элементов. По возможности разгружающие конструкции устанавливаются сверху разгружаемых, так как нижнее их расположение требует дополнительного усиления стоек.

• Расстояние между опорами назначается таким образом, чтобы суммарная эпюра моментов ни в одном сечении не выходила за пределы эпюры материалов. В том случае, если над дополнительной опорой возникает отрицательный момент, превышающий допустимый, и возможно образование нормальных трещин, балку рассматривают как разрезную с шарниром в месте опоры. Необходимо предусмотреть достаточную площадь ее опирания на дополнительной опоре. Для обеспечения совместной работы разгружающих систем и усиливаемой конструкции между ними должны быть предусмотрены предварительно напряженные связи, а также распорки, клинья, подбетонки, подчеканки и др. устройства, которые должны передавать нагрузки на конструкции усиления. Усиление считается достаточно эффективным, если усиливающая конструкция воспринимает не менее 30% усилий, действующих в усиливаемой конструкции. • Разгружающие системы рассчитываются как самостоятельные конструкции или составные системы, частью которых является усиливаемый элемент. Усилия в элементах статически неопределимых систем определяются методами предельного равновесия. Допускается определять усилия из предположения упругой работы железобетона.

Усиление элементов зданий

Усиление плит перекрытий и покрытий • Сборные железобетонные пустотные плиты часто усиливаются с использованием пустот. Для этого сверху в зоне расположения канала пробивают полку и устанавливают арматурный каркас. При усилении только опорной части плиты каркасы располагаются на части ее пролета в приопорной зоне, а при необходимости усиления по нормальным и наклонным сечениям по всей длине плиты. После этого канал заполняют пластичным бетоном на мелком щебне. • При необходимости может быть выполнено наращивание бетоном сжатой полки плиты. Арматурная сетка устанавливается конструктивно для восприятия усадочных деформаций. • При недостаточной площади опирания пустотные плиты усиливаются путем выноса каркасов за торцы плит с последующей установкой вертикальных каркасов параллельно торцам плит и бетонированием анкерной балки и опорных участков плиты. Для средних пролетов анкеровка может производиться к примыкающей плите.

Усиление пустотных плит с использованием пустот: а – без увеличения рабочей высоты; б – с увеличением рабочей высоты наращиванием сжатой полки. 1 – усиливаемая плита; 2 – арматура; 3 – бетон усиления Усиление ребристых плит устройством плоского (а) и пространственного (б) арматурного каркаса и бетонированием швов

Усиление опорных частей пустотных плит крайних (а) и средних (б) пролетов: 1 – усиливаемая плита; 2 – опора; 3 – анкерная балка

• Ребристые плиты в продольном направлении эффективно усиливать установкой дополнительных арматурных каркасов в швах между плитами с бетонированием швов. • Повышение жесткости и несущей способности плит также может быть осуществлено подведением выносных опор, уменьшающих пролет продольных ребер, устройством металлических балок шпренгельных конструкций, наращиванием бетона колонн и дополнительным армированием. Усиление продольных ребер на действие поперечных сил производят путем установки дополнительных хомутов, которые рекомендуются предварительно напрягать. Недостаточная площадь опирания ребристых плит может быть скомпенсирована устройством металлических столиков или консолей.

• Усиление ребер сборных плит установкой хомутов 1 – хомуты; 2 – прокладки из уголков • Увеличение опорной площади ребристых плит средних пролетов устройством металлических столиков • Увеличение опорной площади ребристых плит крайних пролетов устройством металлических консолей

• Усиление плит монолитных железобетонных перекрытий производится: • бетонированием по верху утолщающей плиты, армированной противоусадочной сеткой и, при необходимости, арматурой над опорами, рассчитанной на отрицательный момент при обеспечении совместной работы старого и нового бетона ; • бетонированием второй самостоятельно армированной плиты поверх старой в случае, если сцепление бетона старой и новой плит не может быть обеспечено (из за промасливания, загрязнения и т. п. ); • приваркой дополнительной арматуры снизу и торкретированием нижней поверхности плиты; • подведением железобетонных или стальных балок с изменением расчетной схемы плиты с балочной на опертую или заделанную по контуру.

• Усиление плит монолитных перекрытий • а, б – укладкой дополнительной армированной плиты; • в, г – подведением железобетонных и стальных поперечных ребер • 1 – усиливаемая плита; 2 – дополнительная плита; 3 – дополнительное железобетонное поперечное ребро; 4 – дополнительное стальное поперечное ребро

Усиление балок • Усиление балок производят для увеличения их несущей способности по изгибающему моменту и по поперечной силе в зависимости от характера повреждений. • Балки усиливаются односторонним или двусторонним наращиванием железобетоном (сверху, снизу или с боков), а также с помощью четырехсторонних обойм. При усилении без разгрузки наращиванием арматуры, дополнительную арматуру обычно предварительно напрягают. • Приварку дополнительной арматуры осуществляют посредством коротышей или арматурных отгибов через 200. . . 1000 мм, начиная с концов и постепенно переходя к середине. • При применении высокоуглеродистых сталей классов A-600 и выше, а также высокопрочной проволоки и канатов сварка не допускается. Крепление производится с применением наружных металлических или железобетонных поддерживающих систем.

• При усилении железобетонных балок наклейкой стальных листов на полимеррастворе для улучшения сцепления листов с балкой устраиваются анкерные устройства. • Усиление приопорных участков балок на действие поперечных усилий может быть осуществлено с использованием: железобетонных обойм или рубашек с усиленным поперечным армированием, стальных хомутов, полимерных армированных шпонок, наклейкой листового металла или стеклоткани. Поперечные хомуты рекомендуется предварительно напрягать стягиванием хомутов, натяжкой болтов. • При недостаточной несущей способности приопорных участков балок или при необходимости уменьшения их расчетной длины устраиваются выносные опоры в виде шпренгельных систем или консольных балок. • При усилении балок путем изменения конструктивной схемы могут быть использованы все схемы, показанные в п. 5. Подкосы и стойки прикрепляются к балке непосредственно через стальные детали на растворе. Включение стоек и подкосов в работу осуществляется через клиновые стальные прокладки, стальные хомуты, а также стягиванием или раздвижкой подкосов по металлической прокладке на графитовой смазке.

Включение усиливающих подкосов в работу железобетонных балок через клиновые прокладки – а; раздвижкой подкосов - б

Подведение дополнительных стальных столиков под железобетонные балки при недостаточной прочности опорных участков • а – на сварке; б – устройством анкеров; в – на подвесках; г – на дополнительных консолях; д – на тяжах; е – на стойках

Усиление колонн • Наибольшее применение находит усиление железобетонных колонн устройством железобетонных и металлических обойм. Усиление обоймами наиболее рационально для колонн небольшой гибкости. • Арматура или стальные элементы усиления обойм устанавливаются обычно без связи с арматурой усиливаемых колонн, поэтому нет необходимости их вскрывать. При таком способе усиления важно обеспечить совместную работу "старого" и "нового" бетона (см. ниже). Для улучшения адгезии и защиты бетона и арматуры в агрессивных условиях эксплуатации рекомендуется применение полимербетонов.

• Толщина железобетонной обоймы колонн определяется расчетом и конструктивными требованиями и, как правило, не превышает 300 мм. Диаметр арматуры принимают не менее 16 мм для стержней, работающих на сжатие, и 12 мм для стержней, работающих на растяжение. Поперечную арматуру диаметром не менее 6 мм для вязаных каркасов и 8 мм для сварных устанавливают с шагом 15 диаметров продольной арматуры и не более трехкратной толщины обоймы, но не более 200 мм. • При местном усилении обойму заводят за пределы поврежденного участка на длину не менее пяти ее толщин и не менее длины анкеровки арматуры, а также не менее двух ширин большей грани колонны, но не менее 400 мм. Для лучшего сцепления рекомендуется адгезионная промазка из полимерных материалов.

• Поперечная арматура железобетонной обоймы может быть выполнена в виде спиральной обмотки. Спирали в плане должны быть круглыми и охватывать всю рабочую продольную арматуру. Расстояние между ветвями спирали должно быть не менее 40 мм и не более 100 мм, оно не должно также превышать 0, 2 диаметров сечения ядра обоймы, охваченного спиралью. • При сильном повреждении защитного слоя, железобетонные обоймы выполняются с обеспечением связи существующей и дополнительной арматуры.

• При необходимости устройства "рубашек" особое внимание должно быть уделено анкеровке поперечных хомутов. Это осуществляется обычно путем приварки хомутов к арматуре колонн или пропуском хомутов через стену и приваркой к анкерным уголкам. • Наиболее технологичны металлические обоймы из уголков и соединительных планок между ними. Эффективность включения металлической обоймы в работу колонны зависит от плотности прилегания уголков к телу колонны и от предварительного напряжения поперечных планок. Для плотного прилегания уголков поверхность бетона предварительно по граням колонн тщательно выравнивается сглаживанием неровностей и зачеканкой цементным раствором. • Для усиления колонн эффективно использование предварительно напрягающих элементов.

Усиление железобетонных стоек устройством железобетонных (а, б) и стальных обойм • 1 – бетон усиления; • 2 – продольная арматура; • 3 – хомуты; • 4 спиральная арматура; • 5 – уголок; • 6 – планки; • 7 –опорный уголок

Обеспечение надежного сцепления между старым и новым бетоном • Важнейшим условием эффективности усиления железобетонных конструкций является обеспечение надежного сцепления усиливающего и усиливаемого элементов. • Это достигается: • соответствующей подготовкой бетонной поверхности усиливаемого элемента; • применением адгезионной промазки; • надежным закреплением усиливающей арматуры к существующей или надежной ее анкеровкой; • тщательной анкеровкой или закреплением устанавливаемых закладных деталей.

Подготовка поверхности бетона. Порядок выполнения работ: • Предварительно удаляют слабопрочный бетон в дефектных участках, цементное тесто; • С целью повышения шероховатости поверхность бетона подвергают механической обработке при помощи электрических или пневматических машин при малых объемах работ и гидроабразивным, пескоструйным или термоабразивным способом при больших объемах работ. • Смывают пыль гидроструйным способом; • Рабочие поверхности перед бетонированием увлажняют в течение 12. . . 24 ч до полного водопоглощения; • Поверхность продувают сжатым воздухом для удаления капель и пленок воды.

• Разрушаемый бетон по периметру сечения удаляют перпендикулярно, а на боковых поверхностях параллельно продольной оси усиливаемых конструкций. Особенно тщательно обрабатывают бетонные поверхности в зоне максимальных касательных напряжений. • При отсутствии указаний в проекте неровности поверхности должны составлять 2, 5. . . 5 мм на длине 200 мм, а волнистость до 1 см. • Для улучшения адгезии на подготовленную поверхность старого бетона рекомендуется нанести слой клея (силоксанового или акрилового) с толщиной слоя 3. . . 5 мм. Бетон укладывается непосредственно после нанесения клея. • Поверхность рабочих швов, выполняемых при укладке бетонной смеси с перерывами, должна быть перпендикулярна оси бетонирования, в плоских набетонках (в любом месте) параллельна меньшей стороне плиты. • При перерывах в бетонировании больше сроков схватывания (ориентировочно 4 ч) требуется обработка поверхностей.

В случае, когда старый бетон подвержен замасливанию, рекомендуется термохимическая обработка его поверхности, включающая следующие операции: • обработка 0, 1%-м раствором ПАВ (ОП-7 или ОП-10) -1. . . 1, 5 ч; • прогрев при температуре 180°С - 1 ч; • обработка органическим растворителем - трихлорэтиленом, перхлорэтиленом – 1 ч; • сушка при температуре около 100°С – 0, 5 ч; • промывка водой под давлением.

Присоединение арматуры. • Стержни арматуры в местах установ ки на сварке соединительных скоб вскрываются не менее чем на половину диаметра. Арматура очищается от ржавчины или остатков бетона механическим способом. Соединение существующей и вновь устанавливаемой арматуры осуществляют с помощью коротышей или внахлестку (с применением ручной дуговой сварки). • Последовательность выполнения сварных соединений усиливаемых конструкций устанавливается проектом. При отсутствии указаний в проекте сварку соединения выполняют в следующем порядке: • в балках или ригелях от краев к середине пролета с размещением коротышей в шахматном порядке; приварку крючьев, хомутов от изогнутой части к концу стержня с заплавлением кратера шва. Последовательность приварки хомутов, крючьев по длине (высоте) усиливаемых конструкций может быть произвольной. • Сварку под нагрузкой производят при температуре не ниже 15°С, в слабонагруженных элементах, воспринимающих до 25% расчетной нагрузки, не ниже 25°С.

Соединение арматурных стержней на накладках (а) и в нахлестку (б)

Крепление ПН затяжки к усиливаемой балке Крепление дополнительной арматуры к существующей конструкции: а – схема усиления; б – вклеивание в пазы; в, г – соединение на сварке через коротыши; д – приклеивание листовой стали с дополнительной анкеровкой

Установка дополнительных закладных деталей. • При усилении часто возникает необходимость в установке дополнительных закладных деталей. При этом детали разделяются на конструктивные, на которые не передаются значительные усилия, и на расчетные, которые воспринимают значительные сдвигающие, отрывающие усилия и изгибающие моменты. • К первой группе относятся закладные детали для фиксации элементов, которые устанавливаются на несущие конструкции (например, плиты перекрытия на балки). Эти детали испытывают сжимающие и незначительные сдвигающие усилия. • Закладные детали крепятся с помощью сварки к существующей арматуре и с помощью накладных металлических хомутов. В первом случае скалывается защитный слой арматурных стержней, к ним приваются круглые коротыши или ребра из полосовой стали и к последним лист (уголок) новой закладной детали. При установке закладной детали заподлицо с поверхностью элемента устраивается борозда, и пластина вдавливается в свежий цементный раствор. • Устройство закладных деталей на хомутах менее трудоемко, но требует большего расхода стали.

• Дополнительные закладные детали, а также арматура усиления могут быть заанкерованы в существующую железобетонную конструкцию путем пробуривания скважины и заделки в нее арматурного стержня. • Скважина пробуривается перфоратором на глубину не менее 20 диаметров. • Арматура или анкерный стержень заделываются на эпоксидном клее или путем виброчеканки жесткой цементно песчаной смесью. На эпоксидном клее закрепляется арматура к горизонтальной, вертикальной плоскости бетона, а также к нижней плоскости, расположенной под углом 45° и более к горизонту. • На цементно песчаном растворе допускается закрепление анкера только к горизонтальной плоскости бетона. • Эффективно к концу анкера приварить шайбу.

Установка дополнительной закладной детали с помощью сварки по верхней плоскости (а) и заподлицо с поверхностью (б) 1 – сколотая зона бетона, заделываемая раствором; 2 – коротыш- прокладка из круглого стержня; 3 – коротыш-прокладка из полосовой стали; 4 – продольная арматура; 5 –дополнительная ЗД

Устройство дополнительных ЗД с помощью хомутов в балках (а) и стойках (б): 1 – листовой держатель; 2 – стержневой держатель; 3 – стяжной болт; 4 – боковая планка; 5 – листовая ЗД; 6 – угловая ЗД

Расчет при обеспечении совместной работы старого и нового бетона

• Шов поверхности контакта старого и нового бетона должен удовлетворять условию • где In, Sn – момент инерции и статический момент всего сечения, приведенного к бетону усиливаемого элемента; • =а/1 – относительное расстояние от опоры до сосредоточенной нагрузки, при равномерной нагрузке, =1; • К – коэффициент шероховатости поверхности сопряжения (К =1 – для, шероховатой поверхности сопряжения, имеющей примерно в равном количестве выступы и углубления не менее 10 мм, наибольший размер которых в плане не превышает 25% ширины шва сопряжения, а также при наличии меньшего; К=0. 5 – для остальных поверхностей); • Rbtr расчетное сопротивление растяжению бетона наращивания.

Расчет при отсутствии надежного сцепления между новым и старым бетоном • Допущение: частичное зацепление бетона не учитывается в запас прочности, а прогибы старого и нового элементов одинаковы. Тогда несущая способность усиливаемого и усиливающего элементов распределяется пропорционально жесткостям. Mr/Ir Er = M 0/I 0 E 0 • где M 0, I 0 , E 0 и Mr , Ir , Er =– изгибающие моменты, моменты инерции и модули деформаций соответственно усиливаемого и усиливающего элементов. • Требуемый момент инерции усиливающего элемента при Er =E 0 определяется Ir = (M-M 0)I 0 /M 0 • где M 0, - общий изгибающий момент на усиленную балку.

Расчет при установке дополнительной арматуры в растянутой зоне • При усилении установкой арматуры в растянутой зоне (наращиванием арматуры) удобнее в начале задаваться площадью дополнительной арматуры. Тогда условия прочности сечения M ≤ Rb bx(h 0 – 0, 5 x) + Rsr Asr (h 0 r -h 0 ) • где h 0 r – рабочая высота усиливающей арматуры. • Высота сжатой зоны определяется x = (Rs As + Rsr Asr)/Rb b • Видно, что усиление достигается за счет увеличения высоты сжатой зоны бетона. При этом важно соблюдать условие x < x R.